检具设计开发与产品尺寸控制

随着汽车在日常生活中的普及应用，人们对于汽车制造的产品质量要求越来越高。而汽车检具的出现不仅满足了汽车产品的尺寸和公差检测要求，而且能快速判定汽车产品零件是否符合质量要求。因此，在汽车开发中，检具得到了广泛的使用。

1.检具的作用

1）在产品设计阶段，验证产品设计工作必须要在检具上开展，目的是排查产品存在的各项设计问题，提高产品开发速度，降低产品后期整改成本。

2）在产品试制阶段（量产前），判定产品的尺寸和大小，进行全尺寸测量评价，目的是有效判定产品存在的根本问题，指导不合格产品的修改，为产品质量提升指明了方向。

3）在产品生产阶段（量产后），对产品进行抽样检测，目的是控制产品关键尺寸在生产中的变化，及满足产品尺寸日常管理要求。

点拨

检具是按照产品定义要求，在线测量和评价产品尺寸、形状大小和位置特性，验证与周边产品匹配关系的一种专用的检测工具。检具是根据产品数据设计和数控加工而成的，能体现产品的外形参数，不仅对产品进行定性检测，而且能利用检具或三坐标对产品上某些极其重要的功能性尺寸进行数值化检测。

4）检具主要用于以下检测：

①关键产品特征检测。

②特征面/线检测。

③功能孔检测。

④产品变形区域检测。

⑤用于样车检测。

⑥用于测量支架检测。

⑦主模型功能匹配检测。

2.检具设计原理

为了实现产品尺寸定义要求，检具的开发与产品有着密切的联系，是根据产品数据和GD&T图（包括基准体系、特征公差和测点等信息）要求进行设计加工而成的。以门内饰板总成产品图解说：

1）产品测点图及坐标值如图7-45所示，产品基准体系及坐标如图7-46所示，其中A基准是门内饰总成产品与钣金门内板的贴合面；B、C基准是门内饰总成产品定位装配在钣金门内板上。A在检具上作为产品在检具上的定位基准面，B、C作为产品在检具上的定位基准孔。

2）产品图（特征图/测量图）如图7-47、图7-48所示，其中包含的匹配面、搭接面、孔、面差和间隙等均是产品需要控制的尺寸特征，这些特征的测量值均是通过产品定位在检具上检测出来的结果，其最终结果需要符合产品定义的尺寸公差。

3）根据对上述产品图的分析，结合产品数据，按照检具开发要求，运用检具设计软件（CATIA/UG等），设计加工完成门内饰板总成检具的开发（图7-49），来满足产品整个开发过程的相关要求。

图7-45 产品测点图及坐标值

图7-46 产品基准体系和坐标值

4）按照产品定义进行检具设计开发，产品的定位和被测特征要素均能在检具上实现检测（图7-50）。

3.检具结构及类型

（1）检具结构 通常由三部分组成（图7-51）：

1）基座（含骨架部分）：由钢板与方钢或槽钢框架焊接而成，或由铸铝板结构，加上

图7-47 产品基准体系和剖视图

图7-48 产品特征和剖视图

移动部件，以及检具基准块组成检具基座。

图7-49 门内饰板总成检具设计

图7-50 剖视图

2）本体部分：采用铸铁、铝合金或可加工环氧树脂加工而成。

3）功能件部分：包括快速夹具、基准面、检测工具、支撑座、断面样板、活动检测块和检测仪器等。

（2）检具类型 根据检具功能作用可分为单件检具、总成件检具、开口检具、螺钉车检具、功能主模型检具、综合匹配样架检具等。

1）单件检具。

①定义：按照单个产品进行设计开发的工装，叫单件检具。

②作用：主要针对单个产品的面差、孔位、间隙和大小等要素进行测量。如被测要素符合精度要求，则产品合格，如超出精度要求，则对所开发的产品模具进行修改。图7-52、图7-53所示为前保险杠本体和前壁板的单件检具。

图7-51 检具结构

1—检具本体 2—检具加强构架 3—基准块（制造基准） 4—辅助检测基准 5—定位销 6—检测销 7—销套 8—零位面（定位面） 9—夹紧器 10—滚轮 11—夹紧器固定支座 12—检测样板 13—样板固定支座 14—检具构架（基座） 15—起吊装置

图7-52 前保险杠本体单件检具

图7-53 前壁板单件检具

2）总成检具。

①定义：对把两个及两个以上的单个产品通过组合、焊接或装配等形式构成的总成产品进行检测的工装，叫总成检具。

②作用：主要测量控制产品在焊接总成和分总成中的相对位置和孔位尺寸。如被测要素符合精度要求，则产品合格，如超出精度要求，则对所开发的产品组合工装（如夹具等）进行修改（图7-54、图7-55）。

3）开口检具。

①定义：对产品开口部位的尺寸检测而制作的工装，被称为开口检具。

②作用：是监控产品（如白车身骨架）在生产过程中开口部位的尺寸控制手段，能快速地测量开口部位的尺寸。如图7-56、图7-57所示。

图7-54 门窗框焊接总成检具

图7-55 后门焊接总成检具

图7-56 前风窗开口检具

图7-57 后行李箱盖开口检具

4）测量支架。

①定义：是根据产品测量要求，在三坐标检测平台上运用三坐标对支架上的产品进行测量的工装，称为测量支架。

②作用：对产品起定位、支撑、夹紧作用。

③结构：柔性式和框架式，如图7-58、图7-59所示。

图7-58 柔性式测量支架

图7-59 框架式测量支架

5）螺钉车检具。

①定义：是指在生产准备的初期阶段，按照产品图样及焊装工艺规范，用铆钉将车身零件组装成车的工装，叫做螺钉车检具。螺钉车检具是将冲压件或分总成放在螺钉车检具上，通过铆钉或螺钉联接的方式来代替焊接工艺，实现焊接工艺水平提升和提高白车身质量控制。

②螺钉车作用：

a.验证产品数据设计是否合理，产品与产品之间是否有干涉现象，结构是否有不合理及强度不足的情况发生，经解析后能提出调整及修改方向。

b.在焊装夹具投入制作前，必须验证产品与产品之间是否存在模具工艺无法克服的制件质量问题。

c.验证铆接后产品所带来的累积公差，对焊装车身精度的影响。

d.提高合理布置焊点满足实际生产要求的能力，从而提高制造精度。

e.将螺钉车铆接功能拆除，保留总成的检测功能，从而达到检具的检测功能。

f.缩短产品开发周期和稳定早期模具质量。

③根据产品定义可分为白车身、门总成、侧围总成、前后地板、发动机舱等不同类型的螺钉车检具，如图7-60、图7-61所示。

图7-60 白车身螺钉车检具

图7-61 侧围总成螺钉车检具

6）主模型检具。

①定义：是依据白车身产品数据，用铝或树脂材料按照1∶1比例加工制作而成的模型，叫做（功能）主模型。它是零公差检具，也是标准的白车身检具。

②主模型作用：

a.用于测量及评估产品模拟装车装配状态验证。

b.用于产品与产品、产品与标准模块的匹配关系，测量评价产品的装配性能、外观、间隙和面差。

c.用于产品设计、验证阶段、试生产阶段和批量生产中的产品优化设计和匹配认可。

d.进行缺陷模式分析，指导整车和产品的质量优化和质量改进。

③用法：产品在检具上检测→装配到主模型上检测→装配到实车上检测，看匹配结果。如果在检具上与在主模型上的检测数值状态一致，方可装在实车上匹配；如数值状态不一致，则需要查出问题所在。

④类型：分为外饰主模型、内饰主模型、内外饰主模型和局部主模型（如仪表板主模型、前部主模型等），如图7-62、图7-63所示。

图7-62 内外饰主模型

图7-63 仪表板主模型

7）综合匹配样架检具。

①定义：是一个反复的匹配分析和改进过程。它综合运用各种技术手段，对车身外覆盖件、焊接总成、内外饰件、电器外观件进行匹配和测量分析，对尺寸、间隙、面差、外观等匹配特性进行评价，测量分析匹配缺陷产生的原因，指导模具的改进、工装设备的调整、工艺参数的优化、产品设计和产品技术规范的更改。

②综合匹配样架作用：

a.实现车身冲压单件和焊接总成之间的无应力连接，分析车身尺寸误差产生的原因。

b.进行缺陷模式分析，指导批量生产中整车与零件的质量改进。

c.进行间隙、面差和整车匹配与外观效果分析评价。

d.在产品开发过程中指导零件的改进与优化，车身冲压单件和焊接总成匹配认可。

③结构：可分为外综合匹配样架、内综合匹配样架和缝隙综合匹配样架等，如图7-64所示。

图7-64 综合匹配样架检具

4.检具构件基本要求

（1）检具构件 是组合成检具的重要部件，是对产品检测起着决定性作用的部件。检具分别由以下部件组成：

1）检具基座：

①基座是放置和布局检具本体、功能部件及满足人员操作的平台。

②基座要求：根据产品大小各边放宽100mm以上，确保检具各个部件合理布局，并无超出基座边缘的现象。基座材料必须经过去应力等热处理工艺。基座结构必须安全可靠且符合人机工程学要求，便于人员正常操作。所有与基座连接的部件必须配置足够强度的弹簧垫圈。基座必须具备足够的刚度和稳定的性能，保证不发生翘曲、变形。基座上要求刻坐标线及整百坐标值，标牌要求固定在底板上。基座的平面度为±0.05mm/m²，平面要求精磨，表面粗糙度Ra1.2～1.6μm，底座表面采用无色清漆防锈处理。

2）检具基准：

①定义：基准是用来建立检具坐标系，用于满足检具制造加工精度检测，作为产品检测的依据，如图7-65所示，基准块设置在底座上表面，应有X、Y、Z向基准坐标值铭牌。

图7-65 检具基准

②基准类型：基准球、圆形基准块、方形基准块，其大小根据主机厂检具技术开发要求进行设计。

③基准孔采用不锈钢或者轴承钢的标准衬套，埋在基准块中间位置，如图7-66所示。

④基准块/孔要求：

a.大中型检具基准块/孔数量不少于4个，小型检具不小于3个，旁边标示基准值铭牌。

b.检具测量基准块/孔必须单独加盖保护。

图7-66 基准孔示意图

c.检具测量基准块/孔应保证在正常使用和维护下不锈蚀、耐磨，硬度为45～50HRC。

d.设计基准块/孔的坐标值时应该取整，并用坐标标识牌标出坐标值。

3）检具本体：

①定义：根据产品形状大小、仿形或局部仿形加工出来基准型面，对产品的检测起着决定性的作用。

②根据检具开发要求，可选择以下材料作为检具本体：HuntsmanBM5166、Axson_- LAB1001、Raku-toolWB1600、铝合金、锻铝、铸铁等。

③材料要求：同一检具上不允许同时使用两种及以上型号的本体材料。

④检具型面所用材料通常采用树脂（性能不低于BM5166）和铝合金（性能不低于6061铝合金）。

4）销（定位、检测、划线）：

①销是在检具上用于定位或检测产品孔的位置度、大小及偏移量的常用检测工具，其由导向、检测及手柄三部分组成，保证销子导向部分能够在孔内进出自如（图7-67）。

②根据产品孔形状，销可分为圆孔销、椭圆销、异形孔销、方孔销等。

图7-67 检具销结构

③根据使用功能，销可分为定位销、检测销、划线销、定位防转销、螺纹销、植入销、弹簧销等。定位销用于将零件精确地定位在检具上，检测销（双头结构，检测加划线）用于对孔的位置度检测，划线销用于对孔的偏移量检测。材料采用SKS3，表面硬度56～58HRC，表面应光滑，无划伤等损坏情况。销与销套的配合轴线必须垂直于产品型面，如图7-68所示。

图7-68 销与销套配合图

5）销套：销套埋入固定在检具本体上，为销检测起着导向作用。销表面应光滑，无划伤等损坏情况。为保证销定位和检测准确，导向销套和检具型体必须粘结。导向销套的结构根据孔的形状和位置要求，分防转结构和不防转结构。

6）基准面（S面）：基准面对产品起支撑的作用，并平稳摆放在检具上。原则上要求与GD&T图A基准位置相同。被测产品与基准面贴合，则间隙为0mm。标准厚度采用3mm/5mm，并用平头螺钉与本体连接紧固，螺钉面要低于基准面，保证定位可靠，并且便于测量。在正常使用和维护下不锈蚀、耐磨，硬度为58～60HRC，采用硬铝合金或优质钢。

7）夹钳：夹钳作用是对检具上的产品进行压紧，使其保持固定状态，便于检测产品。夹头夹紧方向必须与零件表面相垂直并且压头正对基准块中心。夹头只允许用作零件夹持（夹紧力小于50N），不允许出现过分夹紧现象和采用强制的方式使零件处于额定值位置。所有夹头接触面应牢固粘上橡皮，以保护产品。夹持机构在运动过程中，不能与任何物体相干涉。图7-69所示为各类夹钳。(www.xing528.com)

图7-69 夹钳

8）活动检测单元。

①活动单元作用是在检具本体结构限制的情况下，采用活动单元来检测产品上重要面的平整度和间隙值。

②单元类型：断面样板、活动样块等活动检测单元。

③单元结构：滑动式、旋转式、翻转式、摆动式、取放固定式。

④单元材质：采用铝合金材料，断面样板检测部分厚度10～12mm。

9）吊耳、吊环。

①吊耳设计时必须考虑最大承载力。

②吊耳的布置必须保证在运输时，吊绳不会影响型体及功能件，也不能影响任何测量元素。

5.检具开发基本要求

（1）检具制造要求

1）所有的焊接件及铸造件都应消除应力，保证检具在加工和使用过程中不发生变形。

2）检具所有部件均具备良好的防锈性能，不允许用发黑来进行防锈处理。要求标准件中性盐雾试验24h防锈部位只产生点蚀，不能产生基体腐蚀。

3）检具型体与基座的连接直接采用塑料粘结剂并同时使用螺栓连接。

4）检具型体连同基座必须刻注车身坐标线X向、Y向、Z向，车身坐标线以X、Y、Z基准面为出发面，每隔100mm或200mm为一档进行刻注。

5）检具涂色规范按照检具技术要求开发执行，标准参照国标。

6）检具标记：基准线标志、测量表面和栅格线的标志、栅格线的数值-测量表面或间隙表面、零件外形轮廓形状、塞规、卡规等均应打上其相应的标志。

（2）检具精度要求 检具是检测产品的工具，其自身的精度是由三坐标检测设备来进行测量的，其精度质量应符合检具技术开发要求。

1）三坐标测量机。

①定义：指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，称为三坐标测量机，如图7-70所示。

图7-70 三坐标测量机

②分类：三坐标测量机按照结构特点可分为龙门式、悬臂式、桥式、关节臂式等，如图7-71所示。

图7-71 三坐标测量机分类

③工作原理：采用三个直线光栅尺做测量基准，以电触发测头发出信号，同时锁定三个坐标的光栅数据，测量出工件的实际位置（尺寸），并与基于被测工件的几何形状在空间的坐标位置（x/y/z）的理论位置直接比较，得出测量误差值；也可计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置（图7-72）。

2）检具精度测量要求。

①定位销、检测销、衬套大小全部检测。

②定位销、检测销插孔的位置度全部检测，要求检测轴线。

③零件定位面全部检查，且每个定位面至少检测3点。

图7-72 三坐标测量机

④型面、轮廓、断面样板及活动检测块，每隔100mm取一断面（形状复杂部位增加）检测，在每一特定断面上同一方向取两个检测点，检测点间隔5～15mm，与型面轮廓线相邻的检测点与型面轮廓线间距不超过2mm，如图7-73所示。

图7-73 轮廊面检测

（3）检具重复性再现性要求

1）测量系统：量具/检具、产品、测量人员、方法、程序的集合。

2）重复性：一名操作者用一个测量仪器对同一个部件的一个参数进行几次测量，这几次测量结果中存在的变差，如图7-74所示。

3）再现性：不同的操作者用同一个测量仪器对同一个部件的同一个参数进行几次测量，这几次测量结果均值的变差，如图7-75所示。

图7-74 检具测量值重复性

图7-75 测量再现性

4）基本要求：测量误差=观测值-真值。

5）测量精度：测量系统必须有足够的分辨力，能够识别过程变差或定量。参照过程变差，一个具有大量变差的测量系统，用来分析一个制造过程，是不恰当的。

6）均值和极差法（X&R）：提供测量系统重复性和再现性的较完善的测量系统分析方法。把测量系统分解成两部分，即重复性和再现性，也就是说它把由量具/检具所造成的误差与由测量人员所造成的误差进行分离，同时还考虑了零件间所产生的误差。

7）样件的选取和数据的收集：

①选择最少5个部件用于测量。

②选择最少2个操作者用于收集数据。

③每个人对同一部件最少测量3次，用于检验重复性。

④随机将部件给每一个操作者进行测量。

⑤收集数据前，先对测量方法进行标准化（如读数的方法）。

⑥试模阶段（即量具/检具验收阶段）：运用3个人，选取5个零件，测量3次的方法。

⑦生产件批准程序（PPAP）阶段：运用2个人（或3人），选取10个零件（必须从PPAP生产件中选取），测量3次的方法。

8）测量参数的选择：

①选取的测量点，取决于被测零件的大小和被测零件的刚度，需注意的是在被测零件上选取的点应尽可能远离定位基准点，以便能真实地反映此测量系统的结果。这些测量点包含了：

a.关键产品特性。

b.产品质量特性。

c.过程监控点。

②选取数量足以评价3个定位基准面的每一个面的点。

9）数据采集点的选取原则如图7-76所示。

①一般选取6个或6个以上采集点。

②尽可能远离零件基准。

图7-76 数据采集点选取

③尽可能选取产品图样上有轮廓度或者位置度测量要求的位置。

④参考经验：被测要素点的集合，基本能够被视为该零件的另一套定位基准。

10）分辨力的确定：如果测量系统没有足够的分辨力，它可能不是识别过程变差或定量表示单个零件特性值的合适系统，即如果不能测定出过程的变差，这种分辨力用于分析是不可接受的。通常分辨力的判别可参考以下：

①最小测量单位/公差≤10%。

②最小测量单位/过程变差≤10%。

11）评判标准如图7-77所示。

图7-77 测量系统评判标准

12）R&R的通用评判标准如下：

①误差＜10%测量系统可接受。

②误差≥10%，≤30%有条件可接受，取决于实际应用的重要性、检具的成本、修复费用等。

③误差≥30%必须改进检具系统，尽力找出问题并纠正。

13）结果的分析：根据均值和极差法（X&R）的计算结果，参照产品的公差（Tolerance）或过程的总变差（TV）：

①如果发现重复性误差较大，即测量设备的变差较大，就应该检查检具自身以及产品在检具中位置变化导致的测量变差。

②首先应保证检具定位的可靠性，为了防止测量过程中产品的变动，测量时都需要检查零位，消除系统误差。

③如果发现再现性误差较大，即由测量人员所造成的误差，应尽量避免。

④如果发现某一数值有很大的误差是由测量人员造成的，就应该设法从测量结果中加以剔除，同时加强测量人员的培训。

6.检具操作原理

在产品检测过程中，将产品定位压紧在检具上，根据产品检测表要求，通过目测和检测工具对产品进行测量，可真实反映产品的几何参数值。常用的检测工具有三角间隙尺、游标卡尺、百分表、止通规、检测划线销、塞尺等。

1）将被测产品按其检具方向放于检具上，先将主副定位销插入（图7-78、图7-79）。

图7-78 主定位销定位示意图

图7-79 副定位销定位示意图

2）确认产品与基准面位置是否贴合，最后按规定的压紧顺序进行压紧（图7-80）。

3）依次根据孔的标识，采用与之对应的检测/划线销对孔位进行检测，对不重要的孔采用划线目视检测（图7-81）。

4）利用三角间隙尺或百分表对产品型面进行测量，以及对活动样块及断面样板所对应的型面进行检测（图7-82、图7-83）。

5）用三角间隙尺或止通规对产品间隙进行测量（图7-84）。

图7-80 工装顺序

图7-81 孔的检测

6）检测完毕后，依次打开检具部件，取出零件并把检具部件归位。

7.内外饰产品检具功能要求

（1）开放型零件

1）主要包括顶盖内饰、柱内饰、行李箱横梁内饰、行李箱盖内饰、转向柱上/下罩板、仪表板/中央通道散件及大部分饰板罩板、前/后保险杠蒙皮等。

图7-82 断面样板检测示意图

图7-83 活动样块检测示意图

图7-84 间隙检测

2）主要特点：覆盖件、壁薄体积大，容易变形。

3）检测要素：对所有零件孔位、轮廓和型面进行检测，实现整车公差要求。

4）检具制作：根据零件GD&T图定义，采用可固定安装并可检验位置的组合方式，用来检测零件的尺寸和形状，如图7-85所示。

5）检具结构：采用铝合金或树脂材料为型体，增加较多的辅助RPS点或固定点来控制零件。

（2）闭合型零件

1）主要包括车灯、出风口、烟灰盒、组合仪表、杂物箱、门内饰等。

2）主要特点：由内外板包围构成，外板满足匹配要求，内板实现定位安装功能。

3）检测要素：检测产品外形尺寸以及与周边零件的匹配关系。

4）检具制作：根据零件GD&T图定义，满足内外板检测功能，及周边零件的匹配检测，实现公差要求。

5）检具结构：以铝合金为型体，以检测块作为主要的检测方式，如图7-86、图7-87所示。

图7-85 检具示意图

图7-86 后灯总成检具

（3）实体型零件

1）主要包括外饰条、后视镜（基座）、车内外把手、三角窗等零件。

2）主要特点：通过零件的基座与车身相连接，实现零件在车身上的安装。

3）检测要素：检测零件的安装位置和外形尺寸，以及与周边零件的匹配关系。

4）检具制作：根据零件GD&T图定义，以车身零件的面、孔作为定位基准来制作检具，保证零件在检具上与实际装车状态保持一致，实现外观公差要求。

5）检具结构：以铝合金为型体，模拟装车作为主要检测方式，如图7-88所示。

图7-87 门护板总成检具

图7-88 三角窗检具

（4）关键特征零件

1）主要包括仪表板、中央通道、前/后保险杠等。

2）主要特点：体积比较大、容易变形、型面复杂、匹配关系复杂。

3）检测要素：检测零件孔的尺寸和位置，控制零件型面和轮廓尺寸，控制与周边零件的匹配间隙和面差。

4）检具制作：根据零件GD&T图定义，对所有零件孔位、轮廓和型面进行检测，实现外观DTS要求。

5）检具结构：采用铝合金作为型体、检测块或模块，实现零件全功能检测。作为总成供应商，可参考主模型要求，制作为主模型检具，功能上应满足各产品之间的匹配评价，如图7-89、图7-90所示。

图7-89 仪表板总成检具

图7-90 后保险杠总成检具